3. MR YANMA SÜRECİ VE OPTİMUM YANMA 45
3.8 Deney Ölçüm Sonuçları Doğrultusunda Motor Karakteristiklerinin
Motor-dinamometre test sonuçlarının analizini yapmak ve yapılan geliştirmelerle motor parametrelerinde iyileşme seviyelerini belirlemek için deney ve hesap sonuçlarını kullanarak motor karakteristiklerinin belirlenmesi gerekmektedir. Bu karakteristiklerden en önemlileri hıza ve yüke bağlı karakteristiklerdir.
Hıza bağlı karakteristiklerin belrilenmesinde, gaz kolunun sabit konumunda motor devri minimum değerinden maksimum güçteki devirin yaklaşık %10 üzerindeki devire kadar 200–300 d/d adımlarla arttırılır (n=1000-2600 d/dak). Gaz kolunun “tam gaz” konumunda çıkarılmış hız karakteristiği ile motorun maksimum performans ve
63
ekonomik değerleri; motorun maksimum güç, tork ve minimum özgül yakıt tüketimi, belirlenerek motorun teknik özellikleri tablosuna kaydedilir.
EK A – Çizelge A.1’de yer alan hız karakteristiğinin Excel dosyasının “Deney Verileri”, EK A - Çizelge A.2’de yer alan hız karakteristiğinin “Hesap Sonuçları”, Şekil 3.13’te ise bu sonuçlar doğrultusunda elde edilen motorun hız karakteristiğinin grafikleri (Güç, Tork ve Özgül yakıt tüketiminin motor hızına bağlı olarak değişmesi) gösterilmiştir.
Yüke bağlı karakteristiklerin belirlenmesinde , motorun sabit bir hız rejiminde (genellikle maksimum güç ve moment değerlerindeki hız rejimlerinde: nN ve nM
d/dak) motorun yükü %0-%100 arasında %10-20 adımlarla değiştirerek artırılır. Bu karakteristiklerle motorun yakıt püskürtme sisteminin optimum ayarları (yakıt pompasının maksimum debisi – “tam gaz” ayarı, yakıt püskürtme avans ayarı vb.), farklı yük rejimlerinde motorun verimli çalışıp çalışmaması ve egzoz gaz emisyon değerlerin seviyesi belirlenir. 97/68/EC Standard ‘ına göre traktör ve diğer yol dışı hareketli araç motorlarının egzoz gaz emisyon karakteristiği “8 nokta” ’da, nN ve nM
hız rejimlerinde çıkarılmış yük karakteristikleri esasında belirlenir. Örneğin EK A Çizelge A.3 ve EK A Çizelge A.4’te, 3 silindirli TÜMOSAN motorunun “8 nokta” yük-emisyon karakteristiklerini belirlemek için Excel dosyasında yazılmış “Deney Verileri” ve “Hesap Sonuçları” gösterilmiştir.
Ar-Ge amaçlı testlere tabii tutulacak motorların, en az 50 saatlik alıştırma testi sonrasında yukarıda belirtilen hız, yük ve 8 nokta karakteristikleri çıkarılır. Geliştirilmiş motorun optimum parametre ve ayarları deneylerle tespit edildikten sonra 200 saatlik ömür testine tabii tutularak motorun dayanıklı olup olmadığı belirlenir. Motorun 50 ve 200 saatlik ömür testi raporu EK-B’de verilmiştir.
Çizelge 3.1 ve Şekil 3.13’ten görüldüğü gibi, yük-emisyon karakteristikleri nN=2500
d/dak hız rejiminde yükü %100, %75, %50 ve %10 seviyelerinde (4 nokta), nM=1500 d/dak hız rejiminde ise yükü %100, %75 ve %50 seviyelerinde (4+3=7
nokta) belirlenir. 8 nokta verileri motorun boşta (yük=0) ve minimum hız rejiminde (n=650 d/dak) çalışması sonucunda elde edilir. Motorun [g/kWsaat] cinsinden toplam emisyon değerleri 8 deney noktasına uygun “WF-ağırlık faktörü” ile belirlenir. EK A Çizelge A.4’te görüleceği üzere, nN=2500 d/dak rejiminde ilk 3
64
nokta için WF=0,15, %10 yükte ise WF=0,1, nM=1500 d/dak rejiminin tüm
noktalarında WF=0,1, n=650 d/dak rejiminde ise WF=0,15 değerlerindedir. Çizelge 3.1 : Üç Silindirli Doğal Emişli Motorun Hız Deney Sonuçları
Şekil 3.13 : Üç Silindirli Doğal Emişli Motorun Hız Karakteristikleri 3.9 “Optimum Yanma Kanununu” Belirleyen Teorik Araştırmalar
İçten yanmalı motorlar teorisinde belirtildiği gibi dizel motorların verimi ve emisyon değerleri yanma hızına bağlı olarak değişebilir; yanma hızı arttırıldığında bir taraftan motorun yakıt ekonomisi yükselerek is oluşumunu azaltmakta, diğer taraftan ise NOx
emisyonunu arttırmakta ve silindir içi basıncı motor yapısının dayanım sınırını aşabilmektedir (>120 bar). Yanma sürecinde yanan yakıt kesrinin değişimi (“yanma kanunu”) yanma hızını belirleyen esas faktördür.
Geliştirilmiş matematik modelden yararlanarak 4-silindirli Stage I TÜMOSAN turbo dizel motorunda (S/D=115/104 mm, sıkıştırma oranı ε=17 ve aşırı doldurmada basınç artış oranı pk/p0=1,8) optimum yanma kanunu değerlerini bulmak amacıyla bir
dizi hesaplamalar yapılmıştır. Şekil 3.14’te yanma karakterinin üç farklı değerlerinde (m=0,5; 1,5 ve 3,0) yanma süresince yakılan yakıt miktarı ve basınç artışının değişimi gösterilmiştir. Her üç halde püskürtülen yakıtın tutuşması Ü.Ö.N.’ dan 5o önce (yakıtın tutuşma avansı θ=5o KMA) motorun devir sayı ise maksimum torka
Motor hızı n Ne Ne Me Me be be NOx CO CO2 HC d/d kW BG N.m kgf.m g/kWh g/BGsaat k, m-1 Bosch ppm ppm % ppm 2600 37,6 51,1 138,0 14,1 270 198 1,13 392,0 200,0 6,2 9,0 2500 37,2 50,7 142,3 14,5 255 188 1,00 380,0 300,0 6,3 9,0 2400 37,2 50,6 148,1 15,1 256 188 1,07 396,0 200,0 6,3 10,0 2300 37,0 50,4 153,8 15,7 265 195 1,03 416,0 300,0 6,5 9,0 2200 37,2 50,7 161,8 16,5 247 182 1,52 492,0 300,0 7,4 13,0 2000 36,6 49,7 174,7 17,8 238 175 1,81 480,0 300,0 6,3 8,0 1800 35,2 47,9 186,9 19,1 240 176 1,83 420,0 300,0 5,6 11,0 1600 33,4 45,4 199,1 20,3 240 176 1,86 484,0 200,0 6,2 11,0 1400 21,7 29,5 148,1 15,1 219 161 1,89 628,0 400,0 8,1 9,0 Özgül Yak. Tük. İs Emisyonlar Güç, Ne Moment, Md Ne, BG Ne, kW 0 10 20 30 40 50 60 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 n, d/d Ne , k W ( B G ) Me be 0 50 100 150 200 250 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 n, d/d M e , N .m 150 170 190 210 230 250 be , g /B G saat
65
karşı gelen n=1500 dak-1 olmuştur. Şekil 3.14’den ve Çizelge 3.2’den görüleceği üzere, yanma karakteri m=0,5’ e eşit olan hızlı yanma kanunu kullanıldığında (bu kanun “açık” tipi klasik yanma odasında 6 delikli enjektörden yüksek püskürtme basıncı (>700 bar) kullanıldığında gerçekleşir) motor peformans ve ekonomi göstergesi olan ortalama indike basıncının (pi=1,3 MPa) ve indike veriminin
(ηt=0,52) en yüksek değerlere ulaşır.Ayrıca, NO oluşumu yükselmekte ve motor
ömrü düşmekte, gürültü ise artmaktadır. En etkin faktör sayılan maksimum yanma basıncı ve basınç artış gradyanı aşırı ölçüde artmaktadır (pmax=13,7 MPa, dp/dα 0,66
MPa/oKMA). Düşük hızlı yanma kanunu (m=3) gerçekleştrildiğinde yanma sürecinin başlangıcında az miktarda yakıt yakıldığı için yanma prosesi 360 oKMA’ dan sonra genişleme sürecinde gerçekleşir. Bu yanma karakteri MAN-M-Prosesli motorlarda kullanılmaktadır. Bu halde basınç %40 (pmax=8,6 MPa), basınç gradyanı %60
(dp/da=0,28 MPa/oKMA), p
i ise %15 düşmektedirler. Performans ve ekonomi
faktörleri söz konusu olmadığı halde NO emisyonu standartların öngördüğü sınır değerleri ancak böyle bir yanma kanunu ile sağlanabilmektedir. Fakat ekonomi faktörü vazgeçilmez olduğundan motorun yanma karakteri m=1,2…1,5 olan optimum yanma kanunuyla çalışabilmesi daha tercih edilen bir alternatifdir. Çizelge 3.2’den görüldüğü gibi, bu halde azot oksit oluşumu NO=750 ppm, maksimum yanma basıncı pmax=9,9 MPa, basınç gradyanı ise düşük (dp/dα=0,28 MPa/oKMA)
olmasına rağmen, motorun performans ve ekonomi değerleri fazla düşmemiştir (pi=1,3’ e karşın 1,2 MPa, αi =0,52’ ye karşın 0,48 – kötüleşme %8 civarındadır).
Çizelge 3.2 : Farklı Yanma Kanunları Uygulandığında Motor Parametrelerinin Değişimi. θ 0KMA m αz 0KMA pmax, MPa dp/dα MPa/ oKMA pi, MPa ηi NO, ppm 5 0,5 50 13,7 0,66 1,3 0,52 1480 5 1,5 50 9,9 0,28 1,2 0,48 750 5 3,0 50 8,6 0,28 1,1 0,45 508
66
Şekil 3.14 : Motor Farklı Yanma Kanunlarıyla Çalıştığında Yanan Yakıtın Kesri ve Silindir İçi Basıncın Değişim Grafikleri.
Yapılmış teorik incelemeler ve farklı motorlar üzerinde deneysel çalışmalar sonucuna dayanarak İTÜ’ de optimum yanma kanununu gerçekleştirebilen (m=1,2...1,5), sembolik olarak MR-1 diye adlandırılan tek döngülü ve MR-2 diye adlandırılan çift döngülü yeni yanma mekanizmaları ve yanma odası geometrileri geliştirilmiştir (T.C.Patenti (Faydalı Model) No: TR 2004 01674 U, 2005/08/22, T.C. Patenti No: TR 2005 02072 A2, 2500/06/01, T.C. Patenti No: B.14.1.TPE.0.07.01.02-2003/01040, Patent Başvurusu No: B.14.1.TPE.194655, 2007/06769). Aşağıda bu yanma odalarının özellikleri hakkında bilgiler sunulmaktadır.